KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng Sè 10/9-2011 51 ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG CỬA RA TỚI KHẢ NĂNG THÁO CỦA CÔNG TRÌNH THÁO SÂU PGS.TS Huỳnh Bá Kỹ Thuật 1 ; ThS. Nguyễn Công Thành 1 Tóm tắt: Trong tính toán khả năng tháo của công trình tháo sâu, có hai yếu tố cần xác định đó là hệ số lưu lượng μ và cột nước tác dụng Z(Z 0 ). Hệ số lưu lượng thì chỉ phụ thuộc vào hình dạng cửa vào, hệ số ma sát, các hệ số tổn thất cục bộ của lỗ tháo sâu. Trong khi đó thì cột nước tác dụng Z(Z 0 ) lại phụ thuộc vào hình dạng mặt cong cửa ra và chế độ nối tiếp dòng chảy (vấn đề này ít đuợc đề cập đến). Việc xác định đúng đắn giá trị cột nước tác dụng Z(Z 0 ) sẽ cho kết quả khả năng tháo của công trình phù hợp tháo sâu phù hợp với lý thuyết. Summary: In calculation of discharge capacity of under sluices, there are two factors to be determined: discharge coefficient and water head Z(Z 0 ). The discharge coefficient μ depends on the entrance shape, friction coefficient and partial loss coefficient of under sluices. Whereas, the water head Z(Z 0 ) depends on the shape of outlet section and regime of flow at downstream outlet (this problem is rarely mentioned). The determination of the proper water head value Z(Z 0 ) would result in the suitable discharge capacity accordingly. Nhận ngày 17/8/2011; chỉnh sửa 05/9/2011; chấp nhận đăng 30/9/2011 1. Giới thiệu Công trình tháo lũ dưới sâu có thể đặt dưới đáy đập và trên nền (cống ngầm), đi qua thân đập (đường ống), cũng có thể đặt ở bên bờ (dạng đường hầm tuy nen) khi điều kiện địa hình, địa chất cho phép. Cống tháo sâu cho phép chúng ta tháo được nước trong hồ với bất kì mực nước nào, thậm chí có thể tháo cạn hồ chứa. Loại này ta có thể sử dụng vào nhiề u mục đích khác nhau như: tháo lũ, tháo cạn hồ chứa, dẫn dòng thi công, tháo bùn cát lắng đọng, lấy nước tưới, lấy nước vào nhà máy thuỷ điện. Do đó, tuỳ vào điều kiện cụ thể mà có thể kết hợp nhiều mục đích khác nhau đối với công trình tháo nước dưới sâu. So với công trình tháo lũ xả mặt thì việc vận hành cửa van trong trường hợp này là khó khăn và phức tạp hơn. Công trình tháo sâu có m ột số đặc điểm cơ bản sau : - Cửa van ở sâu, khi mở lưu tốc ở dưới cửa rất lớn. Cùng một diện tích mặt cắt ngang như nhau, lưu lượng tháo qua lỗ tháo sâu lớn hơn rất nhiều so với tháo qua công trình xả mặt. - Việc tháo nước tương đối ổn định, khi mực nước thay đổi lưu lượng tháo thay đổi ít. Mực nước trong hồ thấp cũ ng có thể tháo được lưu lượng lớn. - Do lưu tốc lớn nên bản thân dòng chảy có lưu tốc mạch động lớn có thể gây nên rung động cửa van và các bộ phận khác. 1 Khoa Xây dựng Công trình thuỷ, Trường Đại học Xây dựng. E-mail: thanh43d@gmail.com KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG Sè 10/9-2011 T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng 52 C C O V C O 1 1 Z o Z 2g v 1 α o 2 - Lúc mực nước trong hồ cao, cửa van chịu áp lực nước lớn dẫn đến lực đóng mở cửa van cao đòi hỏi (trọng lượng) lực nâng hạ của các thiết bị đóng mở càng lớn. - Cửa vào công trình thấp, thuận tiện trong việc xả bùn cát. Trong trường hợp dòng chảy mang nhiều bùn cát thì khi tháo lũ hoặc tháo bùn cát có thể gây nên bào mòn lớp lót của đường tháo nước. - Ống ngầm và đường hầm chị u áp lực đất đắp hoặc đá. Trong trường hợp vận hành thì áp lực đá kết hợp với lớp áo đường hầm chịu một phần áp lực nước bên trong đường hầm. Để xây dựng công thức tính toán khả năng xả của công trình tháo sâu có áp, người ta xuất phát từ lý thuyết dòng chảy qua lỗ nhỏ thành mỏng và lỗ to thành mỏng, chi tiết có thể tham khảo [4]. Hình 1. Sơ đồ tính dòng chảy qua lỗ nhỏ thành mỏng Dưới tác dụng của cột nước Z = const, dòng chảy qua khỏi lỗ là dòng chảy ổn định. Trên cơ sở phương trình Bernoulli viết cho 2 mặt cắt 1-1 và C-C, lấy mặt chuẩn 0-0 đi qua trọng tâm lỗ (Hình 1), ta có được phương trình xác định lưu lượng qua lỗ nhỏ thành mỏng như sau (theo [4]): 0 2gZvQ ccC ϕωω == (1) Với ϕ là hệ số lưu tốc, ω c là diện tích của mặt cắt co hẹp, Z 0 là cột nước tác dụng có xét đến vận tốc tiến gần. Gọi ω ω =ε c là hệ số co hẹp, ω: diện tích lỗ xả, cửa xả và εϕ=μ là hệ số lưu lượng của lỗ. Như vậy, công thức xác định khả năng tháo công trình xả sâu có áp có dạng chung như sau: 0 2gZQ μω = (2) Trong công thức trên, hệ số lưu lượng µ là giá trị phụ thuộc vào các hệ số tổn thất của cửa vào, mức độ co hẹp của dòng chảy… Giá trị Z 0 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng mặt cắt cửa ra, chế độ nối tiếp của dòng chảy tại cửa ra với hạ lưu. Vấn đề xác định giá trị µ có thể tham khảo ở các tài liệu thủy lực đại cương cũng như thủy lực chuyên ngành, còn cách xác định giá trị Z 0 thì ít được đề cập đến, đặc biệt là trong các trường hợp có hình dạng cửa ra là cong (Hình 2). Dưới đây đi sâu vào phân tích cách xác định Z 0 cũng như ảnh hưởng của hình dạng cửa ra tới cột nước tác dụng Z 0 . KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng Sè 10/9-2011 53 2. Xác định cột nước Z 0 2.1 Khái niệm cột nước tác dụng Z 0 Lấy mặt chuẩn là như trên hình vẽ (Hình 3), xét bó dòng phân tố dz, phương trình Becnulli cho 2 mặt cắt 0-0 và 1-1 được viết như sau: ∑ +++= g u g up zT 22 22 0 ξ γ (3) Ta có dzubdQ 00 = , budzdQ = ; trong đó u 0 ,u, b 0 , b lần lượt là lưu tốc trung bình, chiều rộng trung bình tại mặt cắt 0-0 và 1-1 ứng với vị trí phân tố dz. Các ký hiệu còn lại như trên hình 3. Nhân cả 2 vế phương trình (2) với dQ, lấy tích phân phương trình (3), ta được phương trình sau: () ∫∫ ∫ ∑ ++ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ += H hh dz g u budz p zbdzubT 00 0 3 000 11 2 1 ξ γ (4) To V o a To h1 z H Vo/2g 2 dz 0 1 MÆt chuÈn Hình 2. Sơ đồ tính dòng chảy dưới cửa van trên đập tràn mặt cắt thực dụng Hình 3. Sơ đồ xác định thế năng mặt cắt cửa ra trong trường hợp dòng chảy qua lỗ xả sâu - có áp Gần đúng có thể coi g2 v g2 u 33 α = và theo phương trình liên tục có 1oo buhHubQ = = , thay vào (5), biến đổi theo [8] ta được: () g v h dz p z T h o 2 1 2 1 0 α ξ γ ∑ ∫ ++ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + = (5) Đặt Π là thế năng tại mặt cắt cửa ra và bằng: 1 h 0 h dz p z 1 ∫ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ γ + =Π (6) Gọi Π−= 00 TZ là cột nước tác dụng lên lỗ xả sâu và g v ZZ 2 2 0 0 α += với v o là vận tốc tiến gần tại mặt cắt 0-0. Như vậy, Z o , Z là cột nước tác dụng lên lỗ xả sâu có và không kể đến cột nước vận tốc tiến gần. KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Số 10/9-2011 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng 54 2.2 Cỏc trng hp xỏc nh ct nc tỏc dng Z (Z 0 ) Trong thc t cú nhiu trng hp ca ca dũng chy ti ca ra nh chy t do, chy ngp, dng ca ra l ỏy phng, xiờn hay cong. Trong phm vi bi bỏo ny s ch cp n 3 trng hp c bn nht, thng gp trong thc t. 1 h1 h1 p1(z) = z (h) TRƯờNG HợP 1 1 p2(z) = z (h) 2 h1 h' TRƯờNG HợP 2 2 Mặt chuẩn Mặt chuẩn Hỡnh 4. Phõn b ỏp sut ti mt ct ca ra trong cỏc trng hp Theo TL [2,3,8], trong trng hp dũng chy qua l cú ỏy phng v phun t do ra ngoi khụng khớ (Hỡnh 4) thỡ ct nc tỏc dng s c xỏc nh theo cụng thc sau: Trng hp 1 : 1 hTZ oo = (7) Trong trng hp ny Z (Z 0 ) c tớnh n cao trỡnh trn ra ca l. Trng hp 2 : 2 1 0 h TZ o = (8) Trong trng hp ny Z (Z 0 ) c tớnh n cao trỡnh tõm ca l. Cú th tham kho cỏch xỏc nh Z (Z 0 ) vi trng hp 1 v 2 theo hỡnh 5. 0,2 h1 Ho Ho h1 h Ho t h H'o h a a H'o Ho h h c o s Ho h a) b) c) d) e) f) l > 1,5h1 Hỡnh 5. Cỏc trng hp xỏc nh Z o ng vi cỏc dng ca ra khỏc nhau.TL[8] KếT QUả NGHIÊN CứU Và ứNG DụNG Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 10/9-2011 55 Trng hp 3 (Hỡnh 6) l trng hp trung gian ca trng hp 1 v 2, tc l ca ra khụng phi l dng t do m cng khụng phi dng phng m l mt ng cong no y. Trong thc t ta hay gp dng ny trong trng hp dũng chy qua ca van, qua l c t trờn mt trn cú mt ct thc dng (Crighe-Ofixerop, dng WES). 1 3 p1(z) = z h1 h1 h' p3(z) = z(h) 2 h1 p2(z) = z (h) 2 Mặt chuẩnMặt chuẩn Hỡnh 6. Phõn b ỏp sut trong trng hp ỏy ca ra l cong (trng hp 3) Nhn thy trng hp 3 l trng hp trung gian ca trng hp 1 v trng hp 2. Trong trng hp 1 thỡ ỏp sut phõn b ti ca ra tuõn theo quy lut tuyn tớnh cũn trong trng hp 3 thỡ )( )( 3 hz zp = tc l quy lut phõn b ỏp sut theo chiu sõu khụng phi l tuyn tớnh m l mt dng hm s no y ca h, cú th l a thc, hm logarit, hm s m Mt khỏc, cú th thy giỏ tr ỏp sut ti ỏy ca ra ca trng hp 3 l h< h1. Giỏ tr h ny cng ph thuc vo hỡnh dng ng cong ca mt ct ca ra (ng s 3). Trong trng hp ny, th nng ti mt ct ca ra c xỏc nh theo cụng thc: += += 111 00 1 0 1 )(1)(1 hhh dz zp zdz h dz zp z h (9) Nh vy, mun bit c thỡ cn phi bit c phõn b )( )( 3 hz zp = c th nh th no (tc l cn bit quy lut phõn b ca p(z) thỡ mi cú th tin hnh ly tớch phõn c). Hin nay, theo cỏc ti liu tham kho thỡ vic xỏc nh )( )( 3 hz zp = cha c th rừ rng. Do vy vic nghiờn cu quan h trờn cn l cn thit c lm sỏng t. 3. Kt lun Cú th nhn thy, cỏc trng hp trong hỡnh 5 ỳng vi trng hp ca ra cú dng ỏy phng v nu ỏp dng cụng thc (6) v (7) s xỏc nh c ct nc tỏc dng Z 0 phự hp vi hỡnh 5 ([7]). Tuy nhiờn, trong trng hp ca ra cú dng cong (Hỡnh 6) thỡ vic xỏc nh ct nc tỏc dng Z 0 vn cũn cha c th, tớnh toỏn vn phi chp nhn gn ỳng l ly ct nc n tõm hoc trn cng. Ch dũng chy qua l m mt ỏy l cong thỡ thc t giỏ tr ct nc tỏc dng Z (Z 0 ) khụng phi l c tớnh ti tõm ca l x hay trn m cú im tớnh toỏn (TT) no ú cao hn tõm ca l x mt khong cỏch nht nh, iu ny ph thuc vo vic phõn b ỏp sut ca dũng chy theo chiu sõu tc l ph thuc vo hỡnh dng ca ra trn v ch ni tip ca dũng chy sau l. Trng hp ca ra cú dng cong thỡ TT khụng cũn nh ho c tõm na. KÕT QU¶ NGHI£N CøU Vµ øNG DôNG Sè 10/9-2011 T¹p chÝ khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng 56 Vị trí của ĐTT có một ý nghĩa quan trọng, vì nó quyết định giá trị đúng đắn của cột nước tác dụng Z 0 . Do vậy cần phải có các nghiên cứu tiếp theo để làm sáng tỏ vấn đề này. Tài liệu tham khảo 1. Báo cáo thí nghiệm mô hình thủy lực công trình thủy điện Ngòi Phát tỉnh Lào Cai tháng 5/2008. 2. Fuat Senturk (1989), Hydraulic of Dams and Reservoirs, Water Resources Publications, USA 3. Hồ sơ thiết kế kỹ thuật giai đoạn 1 công trình thủy điện Ngòi Phát tỉnh Lào Cai tháng 7/2007. 4. Hồ sơ thiết kế kỹ thuật giai đoạn 2 công trình thủy điện Ngòi Phát tỉnh Lào Cai tháng 5/2008. 5. Nguyễn Cảnh Cầm, et al (2007), Th ủy lực I, Nxb Xây dựng, Hà Nội. 6. McGraw-Hill Companies (1996), Handbook of Hydraulics, Seventh Edition. 7. P.G.Kixelep, et al (1960), Cẩm nang tính toán thủy lực (Bản dịch). 8. Ven Te Chow (1959), Open Channel Hydraulics, McGraw-Hill Companies, USA. 9. X.M. Xlixki (1986), Tính toán thuỷ lực các công trình thuỷ công xả nước (Bản tiếng Nga), Nxb Năng lượng nguyên tử Moskva . . 10/9-2011 51 ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG CỬA RA TỚI KHẢ NĂNG THÁO CỦA CÔNG TRÌNH THÁO SÂU PGS.TS Huỳnh Bá Kỹ Thuật 1 ; ThS. Nguyễn Công Thành 1 . trường hợp có hình dạng cửa ra là cong (Hình 2). Dưới đây đi sâu vào phân tích cách xác định Z 0 cũng như ảnh hưởng của hình dạng cửa ra tới cột nước